Projekt Minus 30: Mehr als Weniger

Ökologisches Bewusstsein hat Konjunktur: Gerade im Wahljahr 2021 wird deutlich, dass die Themen Nachhaltigkeit und Umweltschutz längst auch politisch mehrheitsfähig sind – und nicht mehr ein Alleinstellungsmerkmal einzelner Parteien. Allerdings bleibt noch viel zu tun. Gerade im deutschen Bausektor, der für rund 30 % der direkten und 40 % der indirekten Emissionen sowie für etwa 40 % des Energieverbrauchs und sogar 60 % des Abfallaufkommens verantwortlich ist.

Bislang verfolgt die Politik in erster Linie die Strategie, den Primäreniergieeinsatz für den Heiz- und Kühlbedarf von Gebäuden im Betrieb zu regulieren. Dabei bleibt jedoch nur allzu oft deren ganzheitliche Betrachtung auf der Strecke. So senken zwar die hochsubventionierten Wärmedämm-Verbundsysteme den Energieverbrauch von Gebäuden, gehen aber gleichzeitig eine schwer recyclebare Ehe mit dem Rohbau ein, die aus Rohstoffen Sondermüll macht.

Um diesen Widerspruch aufzulösen, braucht es einen Paradigmenwechsel. Weg vom Fokus auf den Primärenergieverbrauch im Betrieb – hin zu der Gesamtheit der am Bauprozess beteiligten Stoffströme in ihrem Lebenszyklus. Denn der sys­tematische Einsatz von sortenreinen Bauelementen hat enorme Vorteile, die es weiterzuentwickeln und in der Bauwirtschaft gegen alle Widerstände zu etablieren gilt.

Für Architekten bedeutet das vor allem, in Grundlagenforschung neue Detaillösungen zu erarbeiten. Das Architektenbüro Schmidtploecker tut dies mit dem als Labor innerhalb des Büros angelegten Projekt „Minus 30: Mehr als Weniger“. Es soll den Diskurs konsequent voranbringen, indem es die an Modellprojekten erarbeiteten Fragen mit konkreten Bauaufgaben in Beziehung setzt. Es will so eine Kultur der Planung etablieren, die auf die Stoffkreisläufe und wirtschaftlichen Zusammenhänge in der Bauwirtschaft fokussiert und diese ganzheitlich bearbeitet. Nicht zuletzt, um Wege zu erforschen, wie es dieser Perspektivwechsel in das Bewusstsein der Öffentlichkeit schafft und Zugang zu den Entscheidungsprozessen der Politik findet.

Dynamische Teamgröße

Konkret arbeiten im Büro zwei Mitarbeiter kontinuierlich, aber nicht in Vollzeit, an dem Projekt Minus 30. Je nach Aufgabe beschäftigt sich jedoch ein bis zu fünfköpfiges Team mit der Ausarbeitung von Plänen oder der Sichtung der Fachliteratur und dem Stand der Forschung. Dieses dynamische Modell erlaubt es den Beteiligten, neue Ideen jenseits des Alltagsgeschäfts zu entwickeln, ohne dieses jedoch aus dem Blick zu verlieren. Das eröffnet dem Büro die Chance, frühzeitig Entwicklungen am Markt zu antizipieren und neue Lösungen in Forschungsprojekten zu erarbeiten, um sie dann den Kunden in Form von maßgeschneiderten Dienstleistungspaketen anbieten zu können. Auf diese Weise ist das Forschungsprojekt strategisch in die Wertschöpfungskette des Büros integriert und stellt keine Belastung, sondern einen Wettbewerbsvorteil dar.

Nur so können neue konstruktive Gestaltungsvorschläge wirtschaftlich zur Diskussion gestellt werden. Auf diese Weise entwickelt Schmidtploecker zum Beispiel Konzepte für unterschiedliche Typologien, die im Vergleich zur konventionellen State-of-the-Art-Bauweise mit 30% weniger CO₂-Äquivalent bei Gewicht, Bauzeit, Verkehr, Kosten und Abfall zu realisieren sind. Diese Konzepte werden in regelmäßigen Abständen auf konkrete Bau- und Planungsaufgaben übertragen, um ihre Marktfähigkeit zu testen. Zunehmend mit Erfolg: Bei dem Frankfurter Projekt „The Brick“ setzte Schmidt­ploecker gemeinsam mit dem Büro Werner Sobek im Modellprojekt entwickelte, vorgespannte Deckenelemente ein, bei denen die Betonmasse in den Geschossdecken um 25,1 % im Vergleich zu einer Flachdecke reduziert waren. Gleichzeitig wurde das Betonvolumen der Bodenplatte halbiert.

Große Potententiale bei Hochhäusern

Damit ist das Thema jedoch längst nicht ausgereizt: Bei Hochhäusern ist der relative Anteil der Geschossdecken am Bauvolumen deutlich höher, so dass durch elementiertes Bauen – selbst mit Beton – bis zu 70 % Volumen und „graue Energie“ eingespart werden können. Es ist also nur konsequent und logisch, dass das Thema elementiertes Bauen auch bei dem Projekt Minus 30 eine übergeordnete Rolle spielt.

Exemplarisch hat das Büro die Auswirkung unterschiedlicher Module auf die CO₂-Bilanz eines Hochhauses (Gebäude mit 18 Geschossen, Höhe < 60 m gem. MHHR) getestet, das sich in eine Blockrandbebauung einfügt. Das betreffende Gebäude wurde in drei Varianten entworfen und bis zur Ausführungsreife konstruiert. Eine Variante in konventioneller Stahlbeton-Skelettbauweise, eine als Holz-Beton-Hybrid und eine Variante, bei der bis auf das Untergeschoss und die Gründung ausschließlich Holz für den Rohbau zum Einsatz kommt – mit einem Holzanteil von circa 95 %. Gebaute Beispiele der letzten Jahre erreichen ­einen Holzanteil von rund 75 %.

Im Modell wurden die drei Gebäudetypen mit dem Tool eLCA LifeCycleAssessment des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) bilanziert. Mit diesem Werkzeug nach DIN EN 15978 (Nachhaltigkeit von Bauwerken – Bewertung der umweltbezogenen Qualität von Gebäuden) können erste Vergleiche aus den BIM-Daten erstellt werden. Diese zeigen schon bei der frühen strukturellen Entwurfsphase, ob die richtige Richtung eingeschlagen wird. Dabei spielt vor allem die GWP (Global Warming Potential)-Bilanz als erste Referenzeinheit für die Bewertung der Gebäudegrundstruktur (Fundamente, Decken, Wände, Stützen und Träger) eine wichtige Rolle.

Die Rechnung geht auf

Die Betrachtung basiert auf Kennwerten. So entspricht zum Beispiel in der Herstellungsphase (Module A1-A3/ Cradle to Gate) 1 kg Transportbeton (C20/25) 178 kg/m³. Mit einem negativen Wert von -660 kg CO₂ steht eine reine Holzdecke wesentlich besser da als Beton. Rechnet man das am Beispiel der Großdecken im Projekthochhaus durch, ergibt sich ein klares Bild: Die Rohdecken aus Stahlbeton (d = i. M. 20 cm, tatsächliche Fläche ca. 290 m² = 58 m³ Gesamtvolumen für 18 Geschosse) belasten die Bilanz mit ca. 464 000 t CO₂-Äquivalent. Für die Holzverbunddecken in der Hybridvariante ergibt sich in der Bilanz ein negativer Wert von ca. -98 500 t CO₂-Äquivalent. Das entspricht einer rechnerischen Differenz von 562 500 t CO₂-Äquivalent im g/CO₂ im Vergleich zur Betondecke.

Die ersten Zahlen machen Hoffnung. Der Holz-Beton-Bau erreicht für die statisch relevanten Bauteile eine Gewichtseinsparung von gut 10 % gegenüber der Variante mit Stahlbetonskelett, der reine Holzbau mehr als 50 %. Der Wert für das Global Warming Potential (GWP) rutscht rein rechnerisch schon für den Hybridbau unter null, das heißt in den verwendeten Baustoffen ist insgesamt mehr C0₂-Äquivalent gebunden als für deren Herstellung freigesetzt werden. Das reicht nicht, um das GWP aller Baustellenprozesse aufzuwiegen, aber zumindest drastisch zu reduzieren. Durch eine konsequente Elementierung der tragenden Bauteile und der Ausbaugewerke rechnet Schmidtploecker mit einer Reduzierung der Bauzeit von ca. 30 % für den Hybridbau und knapp 50 % für den reinen Holzbau.

Ganzheitliche Betrachtung des Lebenszyklus

Richtig interessant wird es jedoch, wenn man den idealen Rohstoff mit der idealen Fertigung kombiniert. Hier überzeugt das Prinzip Vorfertigung hinsichtlich Maßstab und Komplexität. Maßstab, weil die Dimensionen der Elemente von der Größe eines  Backsteins bis hin zu ganzen Raummodulen gleichsam stufenlos skalierbar sind, und Komplexität, weil sich moderne, digitale Planungen optimal in der Werkshalle umsetzen lassen. Aktuelle Konstruktionssoftware versetzt uns in die Lage, praktisch jede komplexe Geometrie digital zu modellieren. Durch die Verwendung von Elementen werden so die derzeit noch vorhandenen digitalen Brüche in der Planungs- und Wertschöpfungskette eliminiert. Mittels digitaler Schnittstelle können die Elemente automatisch von ansteuerbaren Fertigungswerkzeugen wie CNC-gesteuerten Fräsen hergestellt werden. Dies ist mit der bisher vorherrschenden Vor-Ort-Realisierung nicht möglich. Allerdings entfalten Planungswerkzeuge ihren Vorteil nur dann voll, wenn im Vorfeld zwischen Planer und ausführenden Unternehmen geklärt ist, wer welche Daten und Planungsinhalte wie übergibt.

Vorfertigung als Treiber der Digitalisierung

Ein zentrales Ergebnis des Projekts Minus 30 zeigt sich demnach schon jetzt: Konsequente Digitalisierung und das Konzept der Vorfertigung passen sehr gut zusammen. Denn beide fordern und fördern eine frühzeitige Definition von Quantitäten und Qualitäten. Resultierend verschieben sich für Architekten und die beteiligten Fachplaner die Leistungsschwerpunkte. Architekten, Fachplaner und ausführende Unternehmen müssen sich gemeinsam auf die Spezifika der Fertigteile einigen. So schafft der Einsatz von Elementen ganz nebenbei einen durchgängigen Planungsprozess, der alle zwingt, zentrale Entscheidungen gleich zu Beginn zu treffen.

Hier zeigt sich auch die Stärke des Pilotprojekts. Denn die Rückführung des gewonnenen Know-hows in die alltäglichen Arbeitsprozesse funk­tioniert sehr gut. Permanent werden Werkzeuge entwickelt, die den Mitarbeitenden unmittelbar zur Verfügung stehen. Dabei handelt es sich zum Beispiel um selbst programmierte CAD-Erweiterungen oder Bausteine im QM-System. Diese Werkzeuge werden mit dem Anspruch entwickelt, dass das gesamte Team barrierefrei damit umgehen kann. Gleichzeitig ist das Projekt Minus 30 auch eine Art Knowledge-Center, in dem Wissen gebündelt wird und mit dem sich die Projektteams beraten können. Über die Reintegration der Forschungsinhalte in das Tagesgeschäft entsteht so eine spezifische Arbeitsweise – eine „Methode Schmidtploecker“. Diese Fähigkeit, komplexe Planungsaufgaben mit Werkzeugen zu bearbeiten, die aus der Eigenentwicklung stammen, verschafft dem Büro einen klaren Innova­tionsvorsprung.

Lücke zwischen Regeln und Machbarem

Eine weitere Fragestellung, die das Büro im Modellprojekt prüfen möchten, ist: Wie können Gesetze und Verordnungen stärker die Gesamtheit aller Parameter der Gebäudeerstellung,-nutzung und Wiedernutzbarmachung in die Bewertung einbeziehen, statt nur den Primärenergiebedarf von Gebäuden im Betrieb zu betrachten? Und weiter: Kann ein ausgewogenes Anreizsystem das Bauen mit Elementen attraktiver machen und auch die Lücke zwischen dem Machbaren und den Regelwerken überbrücken? Sind unsere Anforderungen hinsichtlich Schallschutz und Brandschutz in allen Belangen angemessen? Hier benötigen wir einen differenzierteren Umgang mit Schutzzielen. Anreize zu schaffen könnte helfen, das starre Gerüst der Regulierung aufzubrechen, um im Einzelfall bessere Lösungen aushandeln zu können.

Für den Verkauf oder die Vermietung spielen jedoch Argumente wie die Vermeidung von Müll und Transportwegen in der Regel kaum eine Rolle. Hier könnten gezielte Förderungen Anreize setzen. Die notwendigen Grundlagen im Sinne eines Kriterien- beziehungsweise Bewertungskatalogs sind sicher auf Basis der bekannten Zertifizierungssysteme zu entwickeln. Vor allem im  Planungs- und Ordnungsrecht hat das Projekt Minus 30 Potentiale für zielgerichtete Anreize identifiziert, die Gestaltungsspielräumen erschließen, ohne die jeweiligen Schutzziele zu gefährden.

Immer wieder zwingen zum Beispiel die geforderten Fluchtwege und Bestimmungen zur Fassadenbekleidung die Architekten – vor allem bei der Planung von Hochhäusern – zu Kompromissen zu Lasten der Nachhaltigkeit. Außerdem ist denkbar, dass beim Schallschutz ähnliche Abweichungen ­toleriert werden könnten, die Bestandsgebäuden eingeräumt werden. Wohnung im gründerzeitlichen Altbau sind ja auch heute noch trotz ihrer Holzbalkendecken äußerst begehrt.

Davon unberührt soll das Projekt Minus 30 jedoch künftig weitere Optimierungspotentiale in in der Prozesskette ausmachen, ohne sich dabei zu weit von normativen Lösung zu entfernen. Dennoch soll der abschließende Projektbericht noch einmal weitere Implikationen für die Gesetzgebung zusammenfassen.

Potenzierung positiver Effekte

Von der Veränderung der politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen abgesehen, bietet die Verwendung von sortenrein elementierten Bauteilen im großen Maßstab jedoch derzeit die besten Antworten auf viele wesentliche Fragen des zukünftigen Bauens. Urban Mining, Kreislaufwirtschaft und Müllvermeidung gehen dabei Hand in Hand mit effizienteren Prozessen und der reduzierten Freisetzung von CO₂ – kombiniert mit den Möglichkeiten der BIM-Technologie als attributisierter Planung, einem Lean-Construction-Management und einer darauf aufbauenden digitalen Hausverwaltung (IFC-Basiertes FM, z. B. mit Planon). Allerdings wird auch deutlich, dass für den angestrebten Wandel die gesamte Bauwirtschaft einbezogen werden muss.

Ein Großteil der Entscheidungsmacht liegt in den Händen der Bauherren, die im ersten Schritt zumindest das umsetzen müssen, was zur Zeit technisch und genehmigungsrechtlich möglich ist.

Den Blick der Regulierungs- und Subventionspolitik auf den gesamten Lebenszyklus bis zur Wiedernutzbarmachung zu weiten, wird seinen Teil dazu beitragen. Das Projekt Minus 30 stimmt optimistisch, dass insbesondere die Planer in Zusammenarbeit mit der Bauindustrie derzeit  einen neuen Weg entwickeln, der, konsequent beschritten, einen wichtigen Beitrag leistet.